Durante años, los científicos han explorado formas de alterar las células de los microorganismos en un esfuerzo por mejorar la forma en que se elabora una amplia gama de productos, incluidos medicamentos, combustibles e incluso cerveza. Al aprovechar el mundo de la ingeniería metabólica, los investigadores también handesarrollaron técnicas para crear bacterias "inteligentes" capaces de llevar a cabo una multitud de funciones que impactan los procesos involucrados en la administración de fármacos, la digestión e incluso la descontaminación del agua
Pero alterar los procesos genéticos y regulatorios que tienen lugar dentro de las células presenta desafíos.
Para empezar, las células ya están programadas para llevar a cabo sus procesos cotidianos normales con la máxima eficiencia; cualquier alteración que hagan los ingenieros para aumentar la producción celular de una determinada sustancia puede, a su vez, alterar estos procesos y sobrecargar la célula.
Para abordar este problema, William E. Bentley, profesor de bioingeniería de la Universidad de Maryland y director del Instituto Robert E. Fischell de Dispositivos Biomédicos de la universidad, está trabajando con un equipo de investigadores para centrarse en la ingeniería de consorcios microbianos, en los que las subpoblaciones de células sondiseñados para trabajar juntos para llevar a cabo una función deseada. Esta estrategia, que otros en el campo también han explorado, permite a los ingenieros diseñar células especializadas y dividir la carga de trabajo objetivo entre un grupo de células. La compensación es que impulsar un consorciollevar a cabo un conjunto específico de tareas requiere que los ingenieros regulen de alguna manera cuántos de cada subpoblación de células están presentes.
A pesar de este desafío, pocos estudios científicos se han centrado en el desarrollo de dispositivos o sistemas que podrían regular la composición de subpoblaciones celulares dentro de un consorcio. La mayoría de las veces, estos estudios requieren que los ingenieros se basen en técnicas manuales o controladas por el usuario para lograr un equilibrioentre subpoblaciones celulares.
Como tal, Bentley y su equipo se dieron cuenta de que un enfoque más poderoso sería rediseñar las propias células para coordinar sus densidades de subpoblación de manera autónoma. Su técnica se destacó en a Comunicaciones de la naturaleza artículo publicado hoy.
Como otros en el campo, Bentley y los miembros de su Laboratorio de Ingeniería Biomolecular y Metabólica investigaron previamente la detección de quórum QS, una forma bacteriana de comunicación de célula a célula, para diseñar circuitos de comunicación entre cepas bacterianas con el fin depara coordinar sus comportamientos. QS implica la síntesis de pequeñas moléculas de señalización, llamadas autoinductores IA, que son secretadas por bacterias individuales pero sirven para coordinar sus respuestas. Una vez que el nivel de IA alcanza un umbral, lo que indica un "quórum" de células- las señales de IA se transportan intracelularmente, donde activan la expresión génica y permiten respuestas coordinadas.
Pero, Bentley y su equipo llevaron la investigación un paso más allá. El grupo desarrolló la primera plataforma conocida para la regulación autónoma y específica de la composición de consorcios basada en la presencia de una señal ambiental conocida como autoinducer-2 AI-2. AI-2 se considera una señal QS universal, lo que significa que es reconocida y producida por muchas especies de bacterias. Indica en términos generales la densidad de población celular y se considera una señal importante en los consorcios y microbiomas naturales.
Para crear un sistema autónomo, Bentley y su equipo volvieron a cablear los sistemas QS bacterianos en juego en dos cepas de E. coli para que la tasa de crecimiento de las subpoblaciones de células comunicantes dentro de los consorcios estuviera dictada por la señalización entre las células. Su sistema funcionacomo un circuito de retroalimentación. La primera cepa detecta AI-2 y, en respuesta, produce una salida de autoinductor-1 AI-1. La segunda cepa de E. coli, considerada la cepa "controladora", está diseñada para llevar a cabo unTasa de crecimiento sintonizable impulsada por señales de las células del consorcio, regulada nada menos que por el AI-1 producido por la primera cepa. De esta manera, el sistema del equipo emplea su propio proceso de controles y equilibrios entre AI-1 y AI-2que, a su vez, regula la composición de los consorcios sintéticos.
"Cada vez más, los consorcios de microbios tendrán la tarea de convertir las materias primas en productos valiosos", dijo Bentley. "Las materias primas pueden ser desechos o subproductos de procesos industriales. Las capacidades sintéticas de los consorcios pueden superar con creces las de los monocultivos puros, por lo queSe necesitarán metodologías que ayuden a alinear los consorcios. Esto podría resultar especialmente valioso en situaciones en las que no se dispone de equipo de procesamiento, como en el tracto gastrointestinal GI ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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